Коэффициент мощности и способы его повышения

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………….3
1.КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ ……...………………...…………..………...5
2.СПОСОБЫ УВЕЛИЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ……….….15
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………….…19
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ …………………...………20

ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время рациональное использования всех видов энергии, в том числе и электрической, является основной проблемой решаемой государством. Повышение экономичности работы электрических установок считается приоритетной задачей производства. При рассмотрении вопросов повышения качества электрической энергии, выделяют математические, технические и экономические аспекты. Математический аспект представляет собой обоснование методов расчёта показателей качества электрической энергии. Разработка технических средств и мероприятий для улучшения качества электрической энергии, а также организации системы контроля управления качеством, являются основными функциями технического подход. Экономический подход состоит из методов расчёта убытков электроэнергии.
Одним из основных вопросов, связанных с повышением качества электроэнергии в сетях, решаемых как на стадии проектирования, так и на стадии эксплуатации систем промышленного электроснабжения, является вопрос о компенсации мощности, включающий выбор целесообразных источников, расчет и регулирование их мощности, размещение источников в системе электроснабжения.
Целесообразность внедрения на предприятии установок компенсации мощности очевидна даже на этапе технико-экономического сравнения. По приказу Минпромэнерго №49 от 22 фвраля 2007 г. Введен порядок расчета значений соотношения потребления активной и реактивной мощности, согласно которому для потребителей установленной мощностью более 150 кВт предельные допустимые значения коэффициента реактивной мощности составляет 0,4 для сетей 6-35 кВ и 0,35 для сетей 0,4 кВ.
Для повышения коэффициента мощности (cosφ) электрических установок применяют компенсацию реактивной мощности.
Компенсация реактивной мощности позволяет повысить эффективность использования электроэнергии в трех основных направлениях: увеличение пропускной способности линий и трансформаторов, снижение потерь активной энергии, нормализация напряжения. Установка компенсирующих устройств позволяет снизить активные потери за счет снижения полного тока. Таким образом, компенсация реактивной мощности может быть в полной мере названа одной из технологий энергосбережения. Даже на предприятиях, где нет проблем с перегрузкой электросетевого оборудования, за счет снижения активных потерь мероприятия по компенсации реактивной мощности окупаются за сравнительно короткий период времени.
По величине коэффициента реактивной мощности можно судить о том, какая часть потребляемой энергии полезно используется для совершения работы. В возможном приближении коэффициента мощности приемных устройств к единице в основном и заключается технико- экономическая проблема компенсации реактивной мощности.
Цель данной работы: ознакомиться с понятием коэффициент мощности и основными способами его увеличения.
Задачи: 1. Изучить основные понятия электротехники, связанные с мощностью. 2. Рассмотреть способы компенсации мощности, увеличения коэффициента мощности.
Первый раздел посвящен основным понятиям активной, реактивной мощностям и коэффициенту мощности.
Во втором разделе отражены способы повышения коэффициента мощности.
1.КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ
Синусоидальное напряжение U=Umsinwt и сдвинутый ток на угол (φ) I=Imsin(wt-φ) относительно напряжения для трехфазной симметричной электрической сети имеет мгновенную мощность одной фаз:
Pм=U·I=Um·Im·sin wt· sin (wt-φ)=1/2 Um·Im[cos(wt-(wt-φ))- cos(wt+(wt-φ))]= 1/2 Um·Im[cos φ - cos(2wt-φ)]= 1/2 Um·Imcos φ - 1/2 Um·Im cos(2wt-φ). (1.1)
Звенья электропередачи и нагрузка потребителя в реальных условиях содержат активное сопротивление, а также составляющие индуктивного и емкостного характера. Обычно, индуктивная нагрузка преобладает, вследствие этого одновременно с активной мощностью должна передаваться и реактивная мощность индуктивного характера. Нагрузка в цепи переменного тока в общем случае состоит из активного Rа, реактивно- индуктивного xL, реактивно-емкостного хC сопротивлений. На рисунке 1.1 а показана эквивалентная схема электроприемника для одной фазы, содержащая составляющие сопротивлений. На рисунке 1.1 б для такой схемы построена векторная диаграмма. Напряжение U приложено ко всем трем параллельно соединенным ветвям. Из треугольника сопротивлений (рис. 1.1 в), может быть определен ток IL в ветви с индуктивностью, который отстает от напряжения U на угол φL, построенного для ветви с индуктивностью. Ток Ia, в цепи активного сопротивления совпадает с напряжением U по фазе, ток IС в цепи емкостного сопротивления опережает напряжение на угол φС = 90̊ . Общий ток нагрузки I в зависимости от реактивных сопротивлений хC хL может отставать или опережать напряжение U. В данном примере индуктивные сопротивление преобладают, и ток I отстает от U.
Рисунок 1.1 - Нагрузка в цепи: а - эквивалентная схема для нагрузки, б - векторная диаграмма, в - треугольник сопротивлений для ветви с индуктивностью, г - схема замещения, д - векторная диаграмма для схемы замещения, е - треугольник сопротивлений для схемы замещения, ж - треугольник мощностей нагрузки
Из векторной диаграммы видно, что эквивалентную схему можно заменить более простой, состоящей из r´и хL, (рисунок 1.1г), для которой векторная диаграмма и треугольник сопротивлений показаны на рисунке 1.1 д и 1.1 е соответственно.
На рисунке 1.1 г не показано емкостное сопротивление, которое противоположно индуктивному сопротивлению по своему действию и поэтому может частично скомпенсировать индуктивность. На векторной диаграмме: х´L, на рисунке 1.1е меньше xL на рисунке 1.1 в.
Мгновенная мощность равна:
Pм=U·I=Uai+ ULi =Pa+ PL. (1.2)
В активном сопротивлении составляющая мгновенной мощности, выражена:
Pa=Ua·I=Um.asinwt·Im.a sinwt = Um.a Im.a sin2wt =(Um.a Im.a/2)- (Um.a Im.a/2) cos2wt =Ua I. - Ua I. cos2wt. (1.3)
где Im.a и Um.a - максимальные активные значения тока и напряжения. Постоянные составляющие Ua, I, которые представляют среднюю расходуемую мощность за период для активного сопротивления, называется активной мощностью цепи:
Р=Ua I = I2r´. (1.4)
На рисунке 1.1д из векторной диаграммы следует, что Ua =Ucosφ, следовательно:
Р=UIcosφ. (1.5)
Реактивная мощность становится максимальной при sin2wt=1, тогда согласно рисунку 1.1 д UL=Usinφ, реактивная мощность цепи:
Q= U·I·sinφ. (1.6)
Рисунок 1.2 - Изменение во времени напряжения, тока и мощности для цепи с комбинированной нагрузкой
На рисунке 1.2 показаны кривые U, I и P для случая, когда в цепи имеется смешанная активно-индуктивная нагрузка (хL- хC) > 0. Мощность P двигается с удвоенной частотой относительно линии, над осью абсцисс поднятой на величину активной мощности Р=UIcosφ. Мгновенные значения мощности могут быть положительные, отрицательные, а также энергия, полученная от источника питания в рассматриваемой цепи, больше энергии, чем та, которая возвращается обратно. Энергетический процесс в рассматриваемой схеме на рисунке 1.1г представляет собой колебания между источником питания и цепью. Тогда сопротивление r´ нагревается не только из-за выделения активной мощности в нем, за счет активной нагрузки ΔРа=(Icosφ)2*r´, но и как дополнение за счет энергетического обмена между источником питания и полем нагрузки ΔРp=(Isinφ)2*r´. При обмене энергии между генератором и магнитным полем в противоположных направлениях в сети появляются потери активной мощности, полученные от передачи по сети реактивной мощности. Если напряжение с положительным знаком, а ток с отрицательным и наоборот, это приводит к временному интервалу, в котором ток отстает от напряжения по фазе для индуктивных элементов. При этом реактивная энергия не расходуется, подается в сеть обратно, в направлении к генератору. В данном случае реактивная энергия индуктивных элементов совершает колебательные движения, уходит в сеть без потребления активными элементами. Тогда такая энергия называется реактивной.
Отношение реактивной мощности к активной мощности, называется коэффициентом реактивной мощности цепи:
tgφ=, (1.7)
который выражает реактивную мощность в долях от активной, φ – угол сдвига фаз между током и напряжением.
Коэффициент мощности цепи для трехфазного тока определяется косинусом угла сдвига фаз между током и напряжением:
сosφ=. (1.8)
Отношение
сosφ= (1.9)
устанавливает связь между указанными коэффициентами.
При анализе реактивной мощности цепи коэффициент мощности менее показателен.
Из соотношения (1.1) для одной фазы электрической сети мгновенная мощность равна:
Pм=U·I= 1/2 Um·Imcos φ - 1/2 Um·Im cos(2wt-φ). (1.10)
В данном соотношении первая составляющая представляет собой активную мощность и является постоянной величиной, по определению активной мощностью Р понимают среднее значение мгновенной мощности Pм за период:
P=U·I=. (1.11)
Вторая составляющая изменяющейся по гармоническому закону с двойной частотой. Интегрируя (1.10) за период переменного тока, общее количество энергии будет определено:
(1.12)
где f - частота 50 Гц.
Из этого следует, что энергия и ее передача потребителю связаны с активной мощностью то есть, с первой составляющей мгновенной мощности, которая требует расхода энергоносителя. Вторая составляющая мгновенной мощности в сети задает обмен энергией между генератором (и потребителем с двойной частотой и зависит от индуктивных и емкостных элементов. Энергия колебательной составляющей равна нулю и не требует затрат энергоносителя.
Учитывая, что cos(2wt-φ)=cos2wtcosφ+sin2wtsinφ, можно записать выражение (1.11) в виде:
Pм=1/2 Um·Imcosφ- 1/2 Um·Imcos(2wt-φ)= 1/2 Um·Imcosφ- 1/2 Um·Imcos2wt·cosφ-1/2 Um·Imsin2wt·sinφ=1/2 Um·Imcosφ·(1-cos2wt)- 1/2 Um·Imsin2wt·sinφ= U·Icosφ·(1-cos2wt)- U·Isin2wt·sinφ=P·(1-cos2wt)- Qsin2wt, (1.13)
где Р=U·Icosφ - активная мощность, Q=U·Isinφ - pеактивная мощность. Полная мощность S=UI или S2= (U·Icosφ)2 + (U·Isinφ)2 = (U·I)2 определяется как S= На рисунке 1.1 ж, показан треугольник мощностей, соответствующий данному выражению из которого определяются: cosφ=P/S, sinφ=Q/S и tgφ=Q/P.
Если сложить активную энергию, которая совершает полезную работу, реактивную энергию, которая необходима для создания магнитного поля, то получается полная мощность. Отношение активной мощности к полной, выраженное через косинус угла сдвига фаз, называется коэффициентом мощности.
Вся активная энергия становится механической, тепловой, и любой полезной работой. Реактивная энергия не расходуется на полезную работу, единственное, для чего она необходима, это для создания электромагнитных полей, без которых не возможна работа трансформатора и электродвигателя. Из-за этого, получать реактивную мощность на электростанции по энергоснабжению нецелесообразно, потому что необходимо увеличивать мощность генераторов, сечение линий и кабелей, в следствии уменьшается пропускная способность и увеличиваются активные потери. Из-за этого реактивную мощность лучше генерировать прямо у потребителя.
В промышленной электросети основной нагрузкой считаются распределяющие трансформаторы и асинхронные электродвигатели. Они и являются источниками реактивной энергии, совершающие колебательные движения от нагрузки до генератора.
Чем cosφ приближен к 1, тем меньше количества реактивной энергии взято из сети. Из этого следует, что протекания реактивной мощности по сети, неблагоприятно. В результате:
- уменьшается пропускающая способность линий;
- увеличиваются потери в проводниках из-за возрастания проходящего тока;
- номинальные отклонения напряжения питающей сети.
К изменению знака sinφ , а следовательно и к изменению направления потока реактивной мощности способствует отстающий или опережающий ток, что является условным показателем изменений во времени.
Из выражения (1.13) для индуктивности φ=π/2, для емкости φ=-π/2 получим: Рм=±Qsin 2wt ,
при этом Р =0, a S=Q=UI.
Поэтому индуктивность можно воспринимать как потребителя, а емкость генератором реактивной мощности. Источник переменного напряжения, питающий индуктивность в свою очередь отдает, а питающий емкость - потребляет реактивную мощность.
«Генерированием» и «потреблением» реактивной мощности подчеркивается, взаимодействие емкостных и индуктивных элементов в электрической сети, как компенсирующий эффект . Такое свойство используется на практике для компенсации реактивной мощности. Для сети требуется равенство генерации и потребления активной и реактивной мощности. Основным показателем баланса активной мощности в любой момент времени есть частота переменного тока. Для баланса реактивной мощности основным нормативным показателем в любой момент времени является уровень напряжения узла нагрузки и ступени номинального напряжения различны. Поэтому необходимо обеспечить баланс, резерв реактивной мощности не только в целом, но и в узлах нагрузки [1].
В настоящее время приняты следующие нормативные значения коэффициента мощности:
0,85 - при питании потребителей от генераторов электростанций на генераторном напряжении;
0,93 - при питании потребителей от районных сетей напряжением 110, 220 кВ и от сетей 35 кВ, питающихся от электростанций через две ступени трансформации;
0,95 - при питании потребителей от сетей напряжением 35 кВ, питающихся от районных электросетей через три ступени трансформации.
Коэффициент мощности снижается при работе двигателей и трансформаторов в холостую.
Основные потребители электрической энергии промышленных предприятиях: трансформаторы, асинхронные двигатели (АД), сварочные аппараты (СА) и другие.
Потребляемая асинхронными двигателями реактивная мощность может быть разделена на намагничивающую, не зависящую от нагрузки и идущую на создание основного магнитного потока, и реактивную мощность, пропорциональную квадрату нагрузки и обусловленную магнитными полями рассеивания в двигателе.
Основными причинами снижения коэффициента мощности являются:
1. Работа трансформаторов, АД, СА при неполной загрузке. Так как снижается активная мощность электрической машины, а реактивная мощность остается без изменений, это и ведет к снижению cosφ.
2. «Неидеальность» конструкций и их некачественный ремонт (имеется большого воздушного зазора между статором и ротором, тогда магнитное сопротивление этого зазора составляет примерно 80% от общего сопротивления.
3. При повышении напряжения у АД, СА и трансформаторов увеличивается магнитный поток, а как следствие потребляемая реактивная мощность.
4.Например, тихоходные АД имеют более сложную магнитную цепь, потребляют больше реактивной мощности, поэтому имеют более низкий cosφ, чем быстроходные [2].
2.СПОСОБЫ УВЕЛИЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ
Снижение потерь и улучшение производительности электрооборудования промышленных предприятий одно из основных направление в электроэнергетике, увеличения коэффициента мощности вместе с увеличением качества электроэнергии на самом предприятии. Чтобы справится с данной задачей, используют компенсирующие установки, так называемые устройства компенсации реактивной мощности, в качестве главного элемента применяемые конденсаторы.
Повышение коэффициента мощности может быть осуществимо:
- при улучшении режима эксплуатации электрооборудования и применением, где это допустимо, синхронных двигателей вместо асинхронных; Эксплуатировать силовые установки (двигатели, трансформаторы и другие) в номинальном режиме, которые используют максимум КПД и минимальные потери мощности.
- при использовании специальных, технических средств.
Правильно выбранные устройства компенсации реактивной мощности могут:
- снизить потери;
- уменьшить затраты на электрическую энергию;
- увеличить пропускную способность сети, позволяющая увеличить нагрузку не увеличивая стоимость сети;
- снизить расходы на обновление электрооборудования;
- убрать ненужную генерацию реактивной составляющей в часы минимума нагрузки;
- при создании новых сетей уменьшить сечение линий и мощность подстанции;
- понижением напряжения;
- выключением двигателей и трансформаторов, работающих на холостом ходу.
На мощных районных подстанциях для этой цели специально устанавливают синхронные компенсаторы (рисунок 2.1) - синхронные перевозбужденные электродвигатели [3].
Рисунок 2.1 - Синхронный компенсатор
Улучшение использования электрооборудования заключается в основном в увеличении загрузки асинхронных двигателей и трансформаторов, замене загруженного оборудования в малом количестве машинами меньшей мощности. Такие методы в некоторых случаях могут дать ощутимый результат. Применение синхронных двигателей, которые работают с опережающим коэффициентом мощности, может значительно повысить общий коэффициент мощности по предприятию. При отсутствии синхронных двигателей коэффициент мощности, как правило, всегда ниже требуемой величины и приходится применять специальные мероприятия для увеличения, которые заключаются в компенсации потребляемой реактивной мощности с помощью установки специальных компенсаторов.
Наибольшее распространение в качестве компенсаторов реактивной мощности приобрели статические конденсаторы. Их преимущества:
- незначительная величина потерь активной мощности (0,3–0,1% полной реактивной мощности);
- надежность работы и простота эксплуатации благодаря отсутствию вращающихся и трущихся частей;
- малый вес, исключающий необходимость в специальных фундаментах;
- простота и легкость подбора необходимого числа конденсаторов;
- независимостьработывсейкомпенсирующейустановкиотвыходаизстрояот-дельногоконденсатора;
- установка конденсаторов в любой точке сети: у приемников тока, на комплектно-распределительном устройстве (КРУ) и главной понизительной подстанции (ГПП).
Компенсация реактивной мощности может быть индивидуальной, групповой и централизованной. При индивидуальной компенсации конденсаторы устанавливают непосредственно у отдельных двигателей или трансформаторов. При этом от реактивной мощности разгружается вся линия до потребителя электроэнергии. При групповой компенсации конденсаторы устанавливают на распределительных пунктах (РП), к которым подключают несколько электрических подстанций. Для централизованной компенсации конденсаторная установка подключается к шинам ГПП или РП В зависимости от способа компенсации конденсаторные установки включаются по различным схемам. При индивидуальной компенсации конденсаторная установка присоединяется через общий выключатель с электродвигателем или трансформатором. При централизованной и групповой компенсации установка присоединяется к шинам 6 кВ ГПП или РП через отдельный выключатель. Для обеспечения безопасности обслуживания конденсаторных установок необходимо снять электрический заряд при ее отключении. Для этого к конденсаторной батарее подключают на глухо разрядное сопротивление. Для контроля целостности цепи разряда к вторичным обмоткам трансформаторов напряжения подключены неоновые лампы. Защита от коротких замыканий в конденсаторной установке выполняется максимальной токовой защитой. Кроме того, каждый конденсатор защищен плавким предохранителем, который отключает конденсатор при коротком замыкании (пробое) в конденсаторе [4].
Например, компания SOCOMEC разработала высокопроизводительное оборудования для коррекции коэффициента мощности. Такая компенсации реактивной энергии, позволит:
- уменьшит счета за электроэнергию;
- отменить штрафные тарифы;
- Максимизировать эффективность установок и оборудования.
Оборудование для компенсации реактивной энергии может быть автоматическим, стационарным или статическим.
Рисунок 2.2 – Автоматическая система
На рисунке 2.2 представлена автоматическая система коррекции коэффициента мощности от 17,5 до 900 кВАр Потребляемая реактивная энергия варьируется в зависимости от типа и условий использования нагрузок, подаваемых сетью. Такие системы предназначены для компенсации переменной реактивной энергии.
На рисунке 2.3 представлена фиксированная система коррекции коэффициента мощности от 10 до 100 кВАр. Фиксированные системы коррекции мощности предназначены для компенсации этой постоянной реактивной энергии от 10 до 60 кВАр.
Рисунок 2.3 – Фиксированная система
Рисунок 2.4 – Статический система
На рисунке 2.4 представлена статическая система коррекции коэффициента мощности от 100 до 600 кВАр. Такие системы предназначены для компенсации этой переменной реактивной энергии [5].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Увеличение коэффициента мощности может уменьшить стоимость электроэнергии, высвободить мощности системы распределения, увеличить уровень напряжения и уменьшить потери в системе. Хорошо зарекомендовавшим себя способом коррекции коэффициента мощности является использование синхронных компенсаторов и статических конденсаторов.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Кабышев, А.В. Компенсация реактивной мощности в электроустановках промышленных предприятий: учебное пособие /А.В.Кабышев. – Томск:Изд-во Томского политехнического университета, 2012. –234 с.
2. Климова Г.Н. Электроэнергетические системы и сети. Энергосбережение [Электронный ресурс]: коэффициент мощности, технико-экономическое  значение // 2017. URL: https://studme.org/85729/matematika_himiya_fizik/koeffitsient_moschnosti_tehniko-ekonomicheskoe_znachenie (дата обращения: 17.05.2020).
3. Повышение коэффициента мощности в цепях синусоидального тока // интернет-изд, 2020. URL: http://electricalschool.info/main/elsnabg/552-povyshenie-kojefficienta-moshhnosti-v.html (дата обращения: 17.05.2020).
4. Основные энергетические показатели. Коэффициент мощности и основные способы его повышения // интернет-изд, 2018. URL: https://docplayer.ru/49188290-Lekciya-7-osnovnye-energeticheskie-pokazateli-7-1-koefficient-moshchnosti-i-osnovnye-sposoby-ego-povysheniya.html (дата обращения: 17.05.2020).
5. Power Factor correction equipment // Socomec: сайт, 2020. URL: https://www.socomec.com/power-factor-correction_en.html (дата обращения: 17.05.2020).